(57)【要約】【課題】  金属回路板パターンの実装面積を十分に保ち、かつ金属回路板角部に発生する熱応力によるクラックを防止した窒化珪素配線基板と半導体モジュールを提供する。【解決手段】  窒化珪素基板と、一方の面に接合された複数個の金属回路板と、他方の面に接合された金属放熱板とからなる窒化珪素配線基板において、窒化珪素基板の厚みが０．２ｍｍ以上、金属回路板及び金属放熱板の厚みが０．４ｍｍ以上であり、窒化珪素基板の一方の面の面積をＳ、厚みをＴとした場合、１０Ｔ２Ｓ１／２で表される値以上の面積をもつ金属回路板パターンの角部には曲率半径１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のＲを形成するが、１０Ｔ２Ｓ１／２の値以下の面積の金属回路板パターンのうちさらに面積が１３ｍｍ２以下の金属回路板パターンの角部にはＲを形成しない（但し、不可避的に付く曲率半径０．５ｍｍ以下のＲは除く）窒化珪素配線基板およびこれを用いた半導体モジュールである。【選択図】        図１
2006245436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の一方の面に接合された複数個の金属回路板と、前記窒化珪素基板の他方の面に接合された金属放熱板と、からなる窒化珪素配線基板において、前記窒化珪素基板の厚みが０．２ｍｍ以上、前記金属回路板および金属放熱板の厚みが０．４ｍｍ以上であり、前記窒化珪素基板の一方の面の面積をＳ、厚みＴとした場合、１０Ｔ２Ｓ１／２で表される値以上の面積をもつ金属回路板パターンの角部には曲率半径１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のＲを形成するが、１０Ｔ２Ｓ１／２以下の面積である金属回路板パターンのうちさらにその面積が１３ｍｍ２以下の金属回路板パターンの角部にはＲを形成しない（但し、不可避的に付く曲率半径０．５ｍｍ以下のＲは除く）ことを特徴とする窒化珪素配線基板。
【請求項２】
前記窒化珪素基板の外縁部から金属回路板の外縁部までの沿面距離ａと窒化珪素基板の外縁部から金属放熱板の外縁部までの沿面距離ｂとの比ａ／ｂが０．５以上２以下であり、かつａ−ｂの値が−０．５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素配線基板。
【請求項３】
前記金属放熱板において、面積が７０Ｔ２Ｓ１／２以上の金属放熱板パターンの外周部に、金属放熱板パターン面積の０．０２倍から０．０９倍の面積、かつ金属放熱板パターン体積の０．０１倍から０．０９倍の容積を占める孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載の窒化珪素配線基板。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の窒化珪素配線基板とこの窒化珪素配線基板に搭載された半導体素子からなる半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素配線基板、特にパワー半導体モジュールに使用され、窒化珪素基板の一方の面に導電性回路板となる金属回路板を接合し、他方の面に放熱用金属板を接合した窒化珪素配線基板およびこれを用いた半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴ、ＭＯＳ ＦＥＴ等）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化珪素からなる絶縁性セラミックス基板の一方の面（上面）に回路となる導電性金属板を接合し、他方の面（下面）に放熱用の金属板を接合したセラミックス配線基板が広く用いられている。この金属板としては、銅板またはアルミニウム板等が使用されている。そして、回路となる導電性金属板の上面には、半導体素子等が搭載される。また、セラミックス基板と金属板との接合はろう材による活性金属法や銅板を直接接合する、いわゆる銅直接接合法が採用されている。
【０００３】
しかしながら、金属回路板および金属放熱板をセラミックス基板に接合したセラミックス回路基板を用いたパワー半導体モジュールにおいては、大電流を流せるように金属回路板および金属放熱板の厚さを０．３〜０．５mmと比較的厚くしている場合が多く、特に金属回路板および金属放熱板に熱伝導率の高い銅を用いた場合、熱膨張率が大きく異なるセラミックスと金属を接合すると、接合後の冷却過程で熱応力が発生する。この応力はセラミックス基板の接合部付近で圧縮と引張りの残留応力として存在する。この残留応力は、セラミックス基板にクラックを生じさせたり、絶縁耐圧不良を起こしたり、あるいは金属回路板および金属板の剥離の発生原因となる。
【０００４】
この点で窒化アルミニウム基板は、セラミック基板としては高い熱伝導性を有するが、機械的強度が低いため強度面での信頼性は低いことから、適用は困難である。それに対して、窒化珪素基板はセラミック基板として比較的高い熱伝導性と高い機械的強度を有することから、信頼性の高いセラミックス配線基板を実現できると考えられる。
【０００５】
しかしながら、高い機械的強度を有する窒化珪素基板をセラミックス基板に用いた場合でも、銅板を接合することによる熱応力や半導体モジュール稼動時の加熱冷却サイクルによる熱衝撃でクラックが発生する可能性があった。
このクラックは、金属回路板のパターンの外周部、特に角部に発生することが多く、セラミックス配線基板の絶縁耐圧および強度を劣化させ、搭載した半導体素子に電圧を印加した場合、セラミックス基板が絶縁破壊することもあった。従って、セラミックス配線基板に半導体素子を搭載した半導体モジュールの信頼性が十分ではなかった。
【０００６】
セラミックス基板のクラックを防止するために、特許文献１では金属回路板のパターンの角部における曲線において、曲線の中央部の曲率半径と直線部から角部に入る点の曲率半径とを変えて所定の関係が成立するような技術が提案されている。金属回路板の角部付近の応力を緩和することによって、セラミックス基板へのクラックを抑制している。
【０００７】
また、特許文献２では金属回路板パターンの隣接した２つの角部の内、応力が大きい方あるいは集中する方の角部、あるいは応力緩和をはかる必要性がより高い方の角部の曲率半径を大きくすることによって、金属回路板角部付近にかかる応力を緩和してクラックの発生を防止している。
以上のように、熱応力によるセラミックス基板へのクラックの発生を防止する方法として、金属板の角部にＲを設ける構造が以下の文献に提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２１４９１５号公報
【特許文献２】特開２００２−１９８４５６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体モジュールに用いるセラミックス配線基板の回路パターンには半導体素子を搭載するための金属回路板パターン以外に半導体素子からワイヤボンディングによって繋がれた端子を引き出すための金属回路板パターンが設けられているため、複数の種類の金属回路板パターンが配置されていることが多い。前記端子を取り出すための金属回路板パターンは半導体素子を搭載しないため、比較的小さい面積にすることができ、また、複数個隣接して配置することによって、複数ある端子の引き出し箇所を一箇所に集約することができる。これにより半導体モジュールを組み込む装置の構造を簡素化できる。
このような半導体素子を搭載するための大面積の金属回路板パターンとそれ以外の小面積の金属回路板パターンがある場合でも、セラミックス基板へのクラックの発生を防止するために、金属回路板のパターンの角部への応力を緩和しなければならず、例えば、上記の文献のように金属回路板パターンの角部にＲを設ける構造とする必要がある。
しかしながら、特許文献１では、金属回路板パターンの同一金属板パターンの同一角部について曲率半径の大きさが規定されているが、金属回路板パターンの面積によらず、比較的小さい面積の金属回路板パターンにもＲを設けなければならないことにもなり、実装面積の低下につながってしまうといった問題点がある。
一方、特許文献２では金属回路板パターンの隣接する２つの角部のＲの曲率半径を変えているが、この場合でも、比較的小さい面積の２つの金属回路板パターンが隣接している部分では、どちらかの金属回路板パターンに曲率半径の大きなＲを形成しなければならず、実装面積の低下につながってしまうといった問題点がある。そのため、比較的小さい面積の金属回路板パターンにおいて、実装面積を確保しながら角部にＲを設けるためには金属回路板パターンの面積を大きくしなければならず、これはセラミックス配線基板の大型化につながってしまう。
このように特許文献１および特許文献２と共に金属回路板および金属放熱板を接合することにより、発生する熱応力を緩和しセラミックス基板へのクラックを防止する構造となっているが、セラミックス配線基板として必要な実装面積を確保するといった点では問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、金属回路板パターンの実装面積を十分に保ち、かつ窒化珪素配線基板の特に金属回路板角部に発生する熱応力によるクラックを防止できる構造の信頼性の高い窒化珪素配線基板並びに半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の一方の面に接合された複数個の金属回路板と、前記窒化珪素基板の他方の面に接合された金属放熱板と、からなる窒化珪素配線基板において、前記窒化珪素基板の厚みが０．２ｍｍ以上、前記金属回路板および金属放熱板の厚みが０．４ｍｍ以上であり、前記窒化珪素基板の一方の面の面積をＳ、厚みＴとした場合、１０Ｔ２Ｓ１／２で表される値以上の面積をもつ金属回路板パターンの角部には曲率半径１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のＲを形成するが、１０Ｔ２Ｓ１／２以下の面積である金属回路板パターンのうちさらにその面積が１３ｍｍ２以下の金属回路板パターンの角部にはＲを形成しない（但し、不可避的に付く曲率半径０．５ｍｍ以下のＲは除く）こととした窒化珪素配線基板である。
以上のように、所定の面積以下の金属回路板パターンの角部にはＲを形成せず、かつ所定の面積以上の金属回路板パターンの角部にＲを設けることによって、金属回路板パターンの実装面積を十分に確保でき、かつ窒化珪素基板のクラック発生の原因となる金属回路パターンの角部周辺の応力を緩和できる。尚、窒化珪素基板の厚みは実効的には、０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲にあり０．３〜０．６ｍｍが望ましい。また、金属回路板および金属放熱板の厚みについても０．３ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下の範囲にあり０．４〜１．０ｍｍが望ましい。
【００１２】
本発明の窒化珪素配線基板では、前記窒化珪素基板の外縁部から金属回路板の外縁部までの沿面距離ａと窒化珪素基板の外縁部から金属放熱板の外縁部までの沿面距離ｂとの比ａ／ｂが０．５以上２以下であり、かつａ−ｂの値が−０．５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが望ましい。金属回路板からの沿面距離ａと金属放熱板の沿面距離ｂの関係を上記の範囲外では、窒化珪素基板の金属回路板もしくは金属放熱板の外周部付近に大きな応力が発生し、クラックが生じる可能性があり好ましくない。
【００１３】
本発明の窒化珪素配線基板は前記金属放熱板において、面積が７０Ｔ２Ｓ１／２以上の金属放熱板パターンの外周部に、金属放熱板パターン面積の０．０２倍から０．０９倍の面積、かつ金属放熱板パターン体積の０．０１倍から０．０９倍の容積を占める孔が形成されていることが望ましい。さらには金属放熱板パターン面積の０．０５倍から０．０９倍の面積、かつ金属放熱板パターン体積の０．０５倍から０．０９倍の容積を占める孔であることが望ましく、上記の範囲で金属放熱板に孔を設けることで、窒化珪素基板に発生する応力が分散され、クラックの発生を抑制することができる。
【００１４】
そして、本発明は上記した何れかの窒化珪素配線基板に半導体素子を搭載した半導体モジュールである。
例えば、窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の一方の面に接合された複数個の金属回路板と、前記窒化珪素基板の他方の面に接合された金属放熱板と、からなる窒化珪素配線基板と前記金属回路板パターン上に搭載された半導体素子とを有し、前記窒化珪素基板の厚みが０．２ｍｍ以上、金属回路板および金属放熱板の厚みが０．４ｍｍ以上であり、前記窒化珪素基板の一方の面の面積をＳ、厚みＴとした場合、面積が１０Ｔ２Ｓ１／２以上の金属回路板パターンの角部に曲率半径１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のＲを形成し、かつ面積が１０Ｔ２Ｓ１／２以下の金属回路板パターンのうち面積が１３ｍｍ２以下の金属回路板パターンの角部にはＲを形成していない半導体モジュールとしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の窒化珪素配線基板によれば、窒化珪素基板の一方の面の面積をＳ、厚みＴとした場合、１０Ｔ２Ｓ１／２で表される値以上の面積をもつ金属回路板パターンの角部には曲率半径１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のＲを形成するが、１０Ｔ２Ｓ１／２以下の面積である金属回路板パターンのうちさらにその面積が１３ｍｍ２以下の金属回路板パターンの角部にはＲを形成していないことで、金属回路板パターンの実装面積を確保しながら、窒化珪素基板と金属回路板および金属放熱板の接合後の冷却時あるいは半導体モジュール稼動中に窒化珪素基板に発生する熱応力を緩和することができる。よって、実装面積を確保しながら、半導体モジュール稼動中の熱衝撃に強く、信頼性の高い窒化珪素配線基板並びに半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施例を説明する。ただし、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。
[実施例１]
図１は本発明の一実施例を示す窒化珪素配線基板１であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は底面図、また、図１（ｃ）は側面図である。
窒化珪素基板１１の一方の面（上面）には、半導体素子を搭載するための銅板からなる金属回路板１２が接合されており、この金属回路板１２は図１（ａ）に示すように所定の回路パターンの形状に加工されており、それぞれ面積の異なる回路パターンＡ（１２１）、回路パターンＢ（１２２）および回路パターンＣ（１２３）の３種類の回路パターンから構成されている。一方、窒化珪素基板１１の他方の面（下面）には、これも銅板からなる金属放熱板１３が接合されている。また、窒化珪素基板１１の外縁部から金属回路板１２の外縁部までの沿面距離ａおよび、窒化珪素基板１１の外縁部から金属放熱板１２の外縁部までの沿面距離ｂは共に１．５ｍｍである。
【００１７】
さて、窒化珪素配線基板１の製造方法としては、まず、窒化珪素基板１１の両面に活性金属ろう材を印刷形成し、窒化珪素基板１１とほぼ同じ長方形状の銅板を両面に７５０℃で加熱接合する。冷却後、金属回路板１２および金属放熱板１３が所定のパターンとなるように銅板をエッチングする。また、他の製造方法としてはプレス加工により回路パターンとなる部分を一部の連結部で繋いだ一体ものの銅板を製造する。このパターン成形板を上記と同様に活性金属ろう材を印刷形成した窒化珪素基板１１に加熱接合し、最後に回路パターン間を繋ぐ連結部を切断して取り除き、窒化珪素配線基板１となすこともできる。
ここで、窒化珪素基板１１の大きさは、幅２４ｍｍ、長さ３５．４ｍｍ、面積８４９．６ｍｍ２、厚さ０．３ｍｍであり、前記窒化珪素基板１１の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値は２６．２となった。銅回路板パターンの面積は回路パターンＡの１２１が３４６．２ｍｍ２、回路パターンＢの１２２が１８９．２ｍｍ２、回路パターンＣの１２３がそれぞれ１２．２ｍｍ２である。回路パターンＡ１２１、回路パターンＢ１２２および金属放熱板１３の角部には曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。一方、回路パターンＣ１２３の角部には意図的にはＲを形成していない。ただし、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲは付いている。
窒化珪素配線基板１は１０個作製し、クラックの発生の有無を調べた後、−４０℃〜１２５℃のヒートサイクル試験を１０００サイクル行った。ヒートサイクル試験後に再びクラックの発生の有無を調べた。クラックの発生は蛍光探傷法により行った。
【００１８】
[比較例１]
図２に比較例１である窒化珪素配線基板２の上面図を示す。この例は実施例１と同様の構造で、窒化珪素基板２１の一方の面（上面）には、半導体素子を搭載するための銅板からなる金属回路板２２が接合されており、この金属回路板２２は図２に示すように所定の回路パターンの形状に加工されており、それぞれ面積の異なる回路パターンＡ２２１、回路パターンＢ２２２および回路パターンＣ２２３の３種類の回路パターンから構成されている。一方、窒化珪素基板２１の他方の面（下面）には、これも銅板からなる金属放熱板が接合されている。また、窒化珪素基板２１の外縁部から金属回路板２２の外縁部までの沿面距離ａおよび、窒化珪素基板２１の外縁部から金属放熱板の外縁部までの沿面距離ｂは共に１．５ｍｍである。
銅回路板パターンのうち、回路パターンＣ２２３の面積はそれぞれ１５．１ｍｍ２であるが、角部に曲率半径１．０ｍｍのＲを設けているため、実装に使うことができる、実質的な面積は１２ｍｍ２程度で実施例１の回路パターンＣ１２３と同等の面積である。また、回路パターンＣ２２３を配置するために、回路パターンＡ２２１および回路パターンＢ２２２の面積も実施例１の回路パターンＡ１２１および回路パターンＢ１２２より大きくなっている。そのため、窒化珪素基板の面積は９２６．７ｍｍ２となり、実施例１と比較して大きくなっている。
【００１９】
[比較例２]
実施例１と同様の構造であるが、回路パターンＡ１２１、回路パターンＢ１２２および回路パターンＣ１２３ともに角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板１を作製した。尚、窒化珪素配線基板１の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２０】
[比較例３]
実施例１と同様の構造であるが、回路パターンＡ１２１の角部にのみ曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。回路パターンＢ１２２および回路パターンＣ１２３の角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板１を作製した。尚、窒化珪素配線基板１の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２１】
[比較例４]
実施例１と同様の構造であるが、回路パターンＢ１２２の角部にのみ曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。回路パターンＡ１２１および回路パターンＣ１２３の角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板１を作製した。尚、窒化珪素配線基板１の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２２】
表１に実施例１および比較例１〜４の窒化珪素配線基板の金属回路板の各回路パターンの角部へのＲの形成の有無、基板面積およびクラックの発生した窒化珪素配線基板の割合を示す。尚、基板面積は窒化珪素基板の一面の面積を示す（以下同様）。
【００２３】
【表１】
2006245436.tif 000003
【００２４】
実施例１および比較例１から、図１および図２のように構成された窒化珪素配線基板で金属回路板パターンのうち、窒化珪素基板の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値より、大きい面積の回路パターンＡおよびＢの角部に曲率半径１．５ｍｍのＲを形成することによって、金属回路板パターン角部周辺の応力を緩和することができ、窒化珪素基板のクラックの発生を抑制できることができることがわかった。特に、実施例１では回路パターンＣには曲率半径１．０ｍｍ以上のＲを形成していないが、ヒートサイクル試験前後でクラックの発生はなかった。一方で、比較例１では面積の小さい回路パターンＣにもＲを設けているため、実施例１に比べて、基板面積が大きくなってしまった。また、比較例１では基板面積が大きくなることによって、金属回路板パターン間の距離も長くなるため、半導体モジュールを作製した場合のワイヤボンディングを長くしなければならず、寄生抵抗、容量、及びインダクタンスが大きくなるといった問題もある。
また、比較例２のように回路パターンＡ、ＢおよびＣの角部にＲを形成しなかった場合、ヒートサイクル試験前後で、回路パターンＡの角部周辺の窒化珪素基板上にクラックの発生があった。比較例３では回路パターンＡの角部に曲率半径１．５ｍｍのＲを設けているが回路パターンＢの角部にＲが形成されていないため、比較例２に比べて割合は小さいがヒートサイクル試験前後で回路パターンＢの角部周辺の窒化珪素基板上にクラックの発生している窒化珪素配線基板があった。比較例４でも回路パターンＢの角部に曲率半径１．５ｍｍのＲを設けているが回路パターンＡの角部にＲが形成されていないため、ヒートサイクル試験前後で回路パターンＡの角部周辺の窒化珪素基板上にクラックの発生している窒化珪素配線基板があった。
【００２５】
[実施例２]
実施例１と同様の構造であるが、窒化珪素基板の面積が１０４３ｍｍ２である実施例１より面積の大きい窒化珪素配線基板を作製した。窒化珪素基板の厚さは０．３ｍｍであり、前記窒化珪素基板の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値は３３．１となった。
金属回路板は実施例１と同様に回路パターンＡ、回路パターンＢ及び回路パターンＣの３種類の回路パターンからなり、それぞれの面積は３９６ｍｍ２、９８ｍｍ２および１２．８ｍｍ２である。回路パターンＡ、回路パターンＢおよび金属放熱板の角部には曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。一方、回路パターンＣの角部には意図的にはＲを形成していない。ただし、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲは付いている。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２６】
[比較例５]
実施例２と同様の構造であるが、回路パターンＡの角部にのみ曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。回路パターンＢおよび回路パターンＣの角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２７】
[比較例６]
実施例２と同様の構造であるが、回路パターンＡ、回路パターンＢおよび回路パターンＣともに角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２８】
[実施例３]
実施例２と同様の構造であるが、窒化珪素基板の厚さが０．６ｍｍである窒化珪素配線基板を作製した。前記窒化珪素基板の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値は１２８．２となった。回路パターンＡ、回路パターンＢおよび金属放熱板の角部には曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。一方、回路パターンＣの角部には意図的にはＲを形成していない。ただし、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲは付いている。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００２９】
[実施例４]
実施例３と同様の構造であるが、回路パターンＡの角部にのみ曲率半径１．５ｍｍのＲを設けている。回路パターンＢおよび回路パターンＣの角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００３０】
[比較例７]
実施例３と同様の構造であるが、回路パターンＡ、回路パターンＢおよび回路パターンＣともに角部にはＲを形成しておらず、エッチングの際に不可避的に付く曲率半径０．２ｍｍ程度のＲがある窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００３１】
表２に実施例２〜４および比較例５〜７の窒化珪素配線基板の金属回路板の各回路パターンの角部へのＲの形成の有無、基板厚さおよびクラックの発生した窒化珪素配線基板の割合を示す。尚、基板厚さは窒化珪素基板の厚さを示す（以下同様）。
【００３２】
【表２】
2006245436.tif 000004
【００３３】
実施例２〜４のように、金属回路板パターンのうち、窒化珪素基板の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値より、大きい面積の回路パターンＡおよびＢの角部に曲率半径１．５ｍｍのＲを形成することによって、金属回路板パターン角部周辺の応力を緩和することができ、窒化珪素基板のクラックの発生を抑制できることができることがわかった。
特に、実施例４と比較例５を比較した場合、基板厚さが０．３ｍｍの比較例５では前記１０Ｔ２Ｓ１／２の値が３３．１と小さく、Ｒを形成していない回路パターンＢの角部周辺にクラックが発生する窒化珪素配線基板があった。一方、基板厚さが０．６ｍｍの実施例４では前記１０Ｔ２Ｓ１／２の値が１２８．２と大きく、回路パターンＢにＲを形成していないがヒートサイクル試験の前後でクラックの発生は見られなかった。
また、実施例４に対して実施例３では回路パターンＢにも曲率半径１．５ｍｍのＲを形成しているが、回路パターンＢの面積は十分に大きいため、Ｒを設けても実装面積は十分に確保されている。尚、Ｒの曲率半径は１．５ｍｍとしたが、１．０ｍｍでも同様の効果があることを確認している。また曲率半径１．５ｍｍ以上のＲでも同様の効果があると考えるが、この場合、実装面積の減少だけでなく、窒化珪素基板上の金属回路板が接合されない部分の面積が大きくなってしまい、窒化珪素基板に発生する応力が大きくなってしまう恐れがあるため、このような支障をきたさない程度にする必要がある。これがＲ２．５ｍｍまでであると考えている。
【００３４】
以上より、１３ｍｍ２以下の面積の回路パターンの角部にはＲを設けないことにより、十分に実装面積を確保しながら窒化珪素配線基板を小型にすることができ、また、窒化珪素基板の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値より、大きい面積の回路パターンの角部にのみＲを設けることによって、窒化珪素基板に発生する応力を緩和でき、窒化珪素基板上にクラックが発生することがないため、十分な実装面積を確保した小型で信頼性の高い窒化珪素基板を作製できることが分かった。これは、窒化珪素基板の金属回路板角部付近に発生する応力は金属回路板と窒化珪素基板の熱膨張差により窒化珪素基板の変形することに起因し、金属回路板パターンの面積が十分に小さい場合、この金属回路板と窒化珪素基板の熱膨張差も小さいため、窒化珪素基板の金属回路板角部付近に発生する応力も小さくなるためである。
【００３５】
[実施例４]
実施例１と同様の構造で、窒化珪素基板１１の外縁部から金属回路板１２の外縁部までの沿面距離、および窒化珪素基板１１の外縁部から金属放熱板１３の外縁部までの沿面距離を１．０ｍｍとした窒化珪素配線基板１を作製した。金属回路板１２および金属放熱板１３の面積および形状は実施例１と同じであり、窒化珪素基板１１の幅及び、長さを実施例１より１．０ｍｍ小さくした。尚、窒化珪素配線基板１の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００３６】
[実施例５]
実施例１と同様の構造で、窒化珪素基板１１の外縁部から金属回路板１２の外縁部までの沿面距離を１．０ｍｍ、窒化珪素基板１１の外縁部から金属放熱板１３の外縁部までの沿面距離を０．５ｍｍとした窒化珪素配線基板１を作製した。金属回路板１２の面積および形状は実施例１と同じであり、金属放熱板１３の幅及び、長さを実施例１より１．０ｍｍ大きくし、窒化珪素基板１１の幅及び、長さを実施例１より１．０ｍｍ小さくした。尚、窒化珪素配線基板１の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００３７】
[比較例８〜１０]
比較例３と同様の構造で、窒化珪素基板１１の外縁部から金属回路板１２の外縁部までの沿面距離ａ、および窒化珪素基板１１の外縁部から金属放熱板１３の外縁部までの沿面距離ｂの異なる、窒化珪素配線基板１を作製した。各比較例の沿面距離は表２に示す。
比較例８では、金属回路板１２の面積および形状は比較例３と同じであり、金属放熱板１３の幅及び、長さを比較例３より２．０ｍｍ小さくし、窒化珪素基板１１の幅及び、長さを比較例３より１．０ｍｍ小さくした。
また、比較例９では、金属回路板１２の面積および形状は比較例３と同じであり、金属放熱板１３の幅及び、長さを比較例３より２．０ｍｍ小さくし、窒化珪素基板１１の幅及び、長さを比較例３より２．０ｍｍ小さくした。
また、比較例１０では、窒化珪素基板１１と金属回路板１２の面積および形状は比較例３と同じであり、金属放熱板１３の幅及び、長さを比較例３より２．０ｍｍ大きくした。尚、窒化珪素配線基板１の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００３８】
表３に実施例１、４および５と比較例３、８〜１０の窒化珪素配線基板の窒化珪素基板の外縁部から金属回路板の外縁部までの沿面距離、および窒化珪素基板の外縁部から金属放熱板の外縁部までの沿面距離、およびヒートサイクル試験前後に金属回路板の外周部にクラックが発生した窒化珪素配線基板の割合を示す。
【００３９】
【表３】
2006245436.tif 000005
【００４０】
実施例１、４および５の結果から、図１のように窒化珪素基板１１の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値より、大きい面積の回路パターンＡ１２１および回路パターンＢ１２２の角部にはＲが形成され、１３ｍｍ２より小さい面積の回路パターンＣ１２３の角部にはＲが形成されていない金属回路板１２から構成された窒化珪素配線基板１で、窒化珪素基板１１の外縁部から金属回路板１２の外縁部までの沿面距離ａ、および窒化珪素基板１１の外縁部から金属放熱板１３の外縁部までの沿面距離ｂとしたとき、ａ／ｂが０．５以上２以下であり、かつａ−ｂの値が−０．５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることで窒化珪素基板１１に発生する応力を緩和した構造とすることができ、ヒートサイクル試験の前後で共にクラックの発生のない窒化珪素配線基板とすることができることが分かった。
一方、比較例８〜１０のように、沿面距離ａと沿面距離ｂの関係がａ／ｂが０．５以上２以下、もしくはａ−ｂの値が−０．５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲から外れる場合、金属回路板および金属放熱板の外周部、特には角部周辺により大きな応力が加わり、金属回路板の面積及び形状が同じである比較例３よりもヒートサイクル試験の前後で共にクラックが発生した窒化珪素配線基板が多くあった。
【００４１】
[実施例６、７]
図３に実施例６である窒化珪素配線基板３の底面図を示す。窒化珪素基板３１の底面に接合されている金属放熱板３３の外周部にはφ１．０ｍｍの孔３４が２．０ｍｍの間隔で形成されている。孔３４は金属放熱板３３を貫通して、窒化珪素基板３１の面まで達している。また、実施例７でも実施例６と同様に金属放熱板３３の外周部にはφ１．０ｍｍの孔３４が２．０ｍｍの間隔で形成されているが、孔３４は金属放熱板３３を貫通しておらず、金属放熱板３３の厚みの２／３の深さまで形成されている。実施例６および７共に金属放熱板３３以外は実施例１と同様の構造である。尚、窒化珪素配線基板３の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００４２】
[比較例１１、１２]
比較例１１は、比較例３と同様の構造であるが、金属放熱板の外周部にはφ１．０ｍｍの孔が２０ｍｍの間隔で形成されている。孔は金属放熱板を貫通して、窒化珪素基板の面まで達している。また、比較例１２では比較例１１と同様に金属放熱板の外周部にはφ１．０ｍｍの孔が２０ｍｍの間隔で形成されているが、金属放熱板を貫通しておらず、金属放熱板の厚みの２／３の深さまで形成されている。比較例１１および１２共に金属放熱板以外は比較例３と同様の構造である。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にヒートサイクル試験の前後でクラックの有無を測定した。
【００４３】
表４に実施例１、６および７と比較例３、１１および１２の金属放熱板の外周部に形成された孔の面積及び容積の金属放熱板の面積及び体積に対する割合、およびヒートサイクル試験前後にクラックが発生した窒化珪素配線基板の割合を示す。
【００４４】
【表４】
2006245436.tif 000006
【００４５】
実施例６および７の結果から、図１のように窒化珪素基板１１の面積をＳ、厚みＴとした場合の１０Ｔ２Ｓ１／２の値より、大きい面積の回路パターンＡ１２１および回路パターンＢ１２２の角部にはＲが形成され、１３ｍｍ２より小さい面積の回路パターンＣ１２３の角部にはＲが形成されていない金属回路板１２から構成された窒化珪素配線基板１で、図３のように金属放熱板３４の外周部に、金属放熱板パターン面積の０．０２倍から０．０９倍の面積、かつ金属放熱板パターン体積の０．０１倍から０．０９倍の容積を占める孔３４を形成することで窒化珪素基板３１に発生する応力を緩和した構造とすることができ、ヒートサイクル試験の前後で共にクラックの発生のない窒化珪素配線基板とすることができることが分かった。
また、金属放熱板の外周部に形成した孔の効果を検証するために、孔を形成していない実施例１の窒化珪素配線基板と孔を形成した実施例６及び実施例７の窒化珪素配線基板のヒートサイクル試験をより過酷な−６０℃〜１８０℃、１０００サイクルの条件で行った。結果、実施例１の窒化珪素配線基板のみで、クラックの発生が見られた。金属放熱板の外周部に孔を形成することで、窒化珪素基板への応力をさらに緩和でき、より信頼性の高い窒化珪素配線基板とすることができることが分かった。
一方、比較例１１および１２のように、形成した孔の面積が金属放熱板パターン面積の０．０２倍から０．０９倍の範囲外であるか、もしくは形成した孔の容積が金属放熱板パターン体積の０．０１倍から０．０９倍の範囲外である場合、金属放熱板の外周部に孔を形成したとしても、窒化珪素基板に発生する応力を緩和する効果は小さく、ヒートサイクル試験の前後でクラックが発生する基板の割合は同様の窒化珪素基板の構造で孔を形成していない比較例３の窒化珪素配線基板と同等であった。
【００４６】
次に、窒化珪素配線基板として上記実施例１〜７と比較例１〜１２の窒化珪素配線基板を用いて、半導体モジュールを作製した。半導体素子を金属回路板上に半田接合し、ワイヤボンディングを施し、半導体モジュールを得た。尚、窒化珪素配線基板は作製後、クラックの発生がないことを確認したもののみを用いた。各窒化珪素配線基板ごとに１０個の半導体モジュールを作製し、−４０℃〜１２５℃でヒートサイクル試験を１０００サイクル行った。
【００４７】
表５に実施例１〜７及び比較例１〜１２の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールうち、ヒートサイクル試験前後で窒化珪素基板にクラックが発生した半導体モジュールの割合を示す。
【００４８】
【表５】
2006245436.tif 000007
【００４９】
実施例１〜７のように、１０００サイクルのヒートサイクル試験後でもクラックの発生がなかった窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールでは、ヒートサイクル試験前後で共にクラックの発生は見られなかった。一方、比較例１の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールでもクラックの発生は見られなかったが、実施例１〜７に比べて、窒化珪素配線基板のサイズが大きいため、半導体モジュールのサイズも大きくなった。
また、比較例１〜１２の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールは、クラックの発生がなかった窒化珪素配線基板を用いて作製したにもかかわらず、半導体モジュールを作製した後、もしくはヒートサイクル試験後にクラックが発生するものが多くあった。
以上のように、本発明によれば例えば実施例１〜７のような応力を緩和した構造の窒化珪素配線基板を用いることで、熱衝撃に強く、信頼性の高く、小型の半導体モジュールを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１の窒化珪素配線基板の形態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。
【図２】従来の比較例１の窒化珪素配線基板の形態を示す上面図である。
【図３】本発明の実施例６の窒化珪素配線基板の形態を示す底面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１、２、３：窒化珪素配線基板
１１、２１、３１：窒化珪素基板
１２、２２：金属回路板
１２１、１２２、１２３、２２１、２２２、２２３：回路パターン
１３、３３：金属放熱板
３４：孔
【図１】
2006245436.tif 000008
【図２】
2006245436.tif 000009
【図３】
2006245436.tif 000010